C现代方法（第1、2章）笔记

C现代方法笔记（chapter1&2）

序言

0.1 C标准

• C标准早期有C89,C99(普及)，逐渐演化至C11,C18(最新)。
• 冷知识，C89标准中，标识符只有前6个字符保证有效，而且不一定区分大小写！
• C99要求每个函数都有一个显式的返回类型。

0.2 现代方法

• 正确看待C语言
• 强调C语言的标准版本
• 揭穿神话
• 强调软件工程
• 推迟介绍C语言的底层特性
• 不再强调“手工优化”

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第1章 C语言概述

1.1 C语言的历史

1.1.1 起源

• C语言是贝尔实验室开发的，是比汇编语言更加高级的一种语言，是B语言升级版的升级版。
• C语言替代汇编语言重写UNIX系统，改用C语言后程序具有良好的可移植性，只要为贝尔实验室的其它计算机编写C编译器，这些团队就能让UNIX系统也运行在那些机器上。

1.1.2 标准化

• 1983年，美国国家标准协会(ANSI)开始推动C语言标准制定。1990年，ISO通过ANSI的C标准，将其作为国际标准，也就是C89或者C90。1999通过了C99标准。
• C语言最近的两次改变分别发生在2011和2018年，这两年分别通过了C11和C18。
• 从C99到C11再到C18的变化，没有从C89到C99那么显著。尤其是从C11到C18的变化，仅限于技术修饰和澄清，总体上没有显著的改变，也没有引入新的语言特性。

1.1.3 基于C的语言

C语言对现代编程语言有着巨大的影响，许多现代编程语言都借鉴了大量C语言的特性。以下几种非常具有代表性：

• C++，包括了所有C特性，但增加了类和其他特性以支持面向对象编程。
• Java，基于C++，因此也继承了C的许多特性。
• C#，由C++和JAVA发展起来的一种较新的语言。
• Perl，最初是一种非常简单的脚本语言，在发展过程中采用了C的许多特性。

1.2 C语言的优缺点

1. C是一种底层语言，C提供了对机器级概念，使得程序可以快速执行。
2. C是一种小型语言，C很大程度上依赖一个标准函数的“库”。
3. C是一种包容性语言，有着更高的自由度。

1.2.1 C语言的优点

• 高效。
• 可移植性。
• 功能强大。
• 灵活。
• 标准库，C标准库包含了数百个可以用于输入/输出、字符串处理、存储分配以及其他实用操作的函数。
• 与UNIX系统的集成。

1.2.2 C语言的缺点

• C程序更容易隐藏错误。
• C程序可能会难以理解。
• C程序可能会难以修改。

1.2.3 高效地使用C语言

• 学习如何规避C语言的缺陷。现代编译器可以检查到常见的缺陷并且发出警告，但是没有一个编译器可以发现全部缺陷。
• 使用软件工具使程序更加可靠。比如静态编译工具。
• 利用现有的代码库。
• 采用一套切合实际的编码规范。
• 避免“投机取巧”和极度复杂的代码。要遵守简洁但仍然易于理解的编码风格。
• 紧贴标准。为了程序的可移植性，最好避免使用标准中没有的特性和库函数。

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第2章 C语言基本概念

本章介绍了C语言的一些基本概念，包括预处理指令，函数，变量和语句。

2.1 编写一个简单的C程序

/*
显示双关语“To C, or not to C: that is the question.”
*/
//pun.c
#include <stdio.h>int main(void){printf("To C, or not to C: that is the question.\n");return 0;
}

接下来对这段代码做简要介绍：

第一行#include <stdio.h>是必不可少的，它包含了C语言标准输入/输出库的相关信息，程序的可执行代码都在main函数中，这个函数代表“主”程序。main函数中的第一行代码是用来显示期望信息的。printf函数来自标准输入/输出库，可以产生完美的格式化输出。代码\n告诉printf函数执行完消息显示后要进行换行操作。第二行代码return 0;表明程序终止时会向操作系统返回值0。

2.1.1 编译和链接

为了把程序转换为机器可以执行的形式，通常包括下面3个步骤：

1. 预处理。首先程序会被交给预处理器（preprocessor）。预处理器执行以#开头的命令（指令）。
2. 编译。修改后的程序现在可以进入编译器（compiler）了。编译器会把程序翻译成机器指令（目标代码），此时的程序还是不可以运行的。
3. 链接。链接器（linker）把由编译器产生的目标代码和所需的其他附加代码整合在一起，生成完全可执行的程序。这些附加代码包括程序中用到的库函数（如printf函数）。

• 以上过程往往是自动实现的，因此人们会发现这项工作不是太艰巨，通常预处理器和编译器集成在一起，所以人们甚至可能不会注意它在工作。

GCC，作为最流行的C编译器之一，它随Linux发行，但也有面向其他很多平台的版本。这种编译器的使用与传统的UNIX cc编译器类似。编译程序pun.c可以使用以下命令：

gcc -o pun pun.c

2.1.2 集成开发环境（IDE）

集成开发环境是一个软件包，我们可以在其中编辑、编译、链接、执行甚至调试程序。

2.2 简单程序的一般形式

简单C程序一般具有如下形式：

指令int main(void){语句
}

即使是最简单的C程序也依赖3个关键的语言特性：指令（在编译前修改程序的编辑命令）、函数（被命名的可执行代码块，如main函数）和语句（程序运行时执行的命令）。

2.2.1 指令

• 比如#include <stdio.h>这条指令说明，在编译前把<stdio.h>中的信息“包含”到程序中。C语言拥有大量类似于<stdio.h>的头（header），每个头都包含一些标准库的内容。C语言不同于其他的编程语言，它没有内置的“读”和“写”命令。输入/输出功能由标准库中的函数实现。
• 所有指令都是以字符#开始的。这个字符可以把C程序中的指令和其他代码区分开来。指令默认只占一行，每条指令的结尾没有分号或其他特殊标记。

2.2.2 函数

事实上，C程序就是函数的集合，函数分为两大类，一类是程序员编写的函数，另一类则是作为C语言实现的一部分提供的函数。后者称为库函数，因为他们属于一个由编译器提供的函数“库”。

• 在C语言中，函数仅仅是一系列组合在一起并且被赋予了名字的语句。某些函数计算数值并返回，某些函数则不是这样。函数用return语句来指定所“返回”的值。
• 一个C程序可以包含多个函数，但只有main函数必须有的。
• return 0;有两个作用，一是使main函数终止，二是指出main函数的返回值是0，表示程序正常终止。

2.2.3 语句

语句是程序运行时执行的命令。

• pun.c就用了返回语句和函数调用语句。
• C语言规定每条语句都要以分号结尾。指令不需要分号结尾。

2.2.4 显示字符串

• 字面串（string literal）————用一对双引号包围的一系列字符。当用printf函数显示字面串时，最外层的双引号不会出现。
• \n表示换行。

2.3 注释

每一个程序都应该包含识别信息，即程序名、编写日期、作者、程序的用途以及其他相关信息。

• 符号/*标记注释的开始，*/标记注释的结束。
• 简短的注释可以和程序中的其他代码放在同一行（翼型注释）。
• C99标准提供了另一种类型的注释，以//开始。
• 作为一种新的注释风格，//有两个主要优点：首先，因为注释会在行末自动终止，所以不会出现未终止的注释意外吞噬部分程序的情况;其次，因为每行注释前面都必须有//，所以多行注释看上去更加醒目。

2.4 变量和赋值

大多数程序在产生输出之前往往需要执行一系列的计算，因此需要在程序执行过程中有一种临时存储数据的方法，C语言中的这类存储单元被称为变量。

2.4.1 类型

• 每个变量都必须有一个类型。
• 类型会影响变量的存储方式以及允许对变量进行的操作。
• 数值型变量的类型决定了变量所能存储的最大值和最小值，同时也决定了是否允许在小数点后出现数字。
• 进行运算时，float型变量通常比int型变量慢。
• float型变量所存储的数值往往只是实际数值的一个近似值。比如在一个float型变量中存储0.1,以后可能会发现变量的值为0.099 999 999 999 999 87,这是舍入造成的误差。

2.4.2 声明

在使用变量之前必须对其进行声明（为编译器所做的描述）。为了声明变量，首先要指定变量的类型，然后说明变量的名字。

• 比如，int height;说明height是一个int型变量，这意味着变量height可以存储一个整数值。
• 如果几个变量具有相同的的类型，就可以把它们的声明合并，例如float profit，loss;，注意每一条完整的声明都要以分号结尾。
• 当main函数包含声明时，必须把声明放置在语句之前。

int main(void){声明语句
}

• 就书写格式而言，建议在声明和语句之间留出一个空行。
• 在C99标准中，声明可以不在语句之前。例如，main函数中可以先有一个声明，后面跟一条语句，然后再跟一个声明。

2.4.3 赋值

变量通过赋值（assignment）的方式获得值。

height = 8;
length = 12;
width = 10;

• 把数值8、12和10分别赋值给变量height、length和width，其中8、12和10称为常量（constant）。
• 变量在赋值或以其它方式使用之前必须先声明。
• 当我们把一个包含小数点的常量赋值给float型变量时，最好在该常量后面加一个字母f（代表float）。比如profit = 21.34f，不加f可能触发编译器的警告。
• 一般情况下，赋值运算的右侧可以是一个含有常量、变量和运算符的公式。（C语言的术语中称为表达式）

2.4.4 显示变量的值

• printf("height: %d\n", height);

  1. 占位符%d用来指明在显示过程中变量height的值的显示位置。
  2. %d仅用于int型变量。%f则显示float型变量。

• 默认情况下，%f会显示出小数点后6位数字。如果要强制%f显示小数点后p位数字，可以把p放置在%和f之间。比如printf("Profit: $%.2f\n", profit)。

• C语言没有限制调用一次printf可以显示的变量数量。

2.4.5 初始化

当程序开始执行时，某些变量会被自动设置为0（static类型）,而大多数变量则不会（auto类型）。没有默认值并且尚未在程序中被赋值的变量是未初始化的。

• 在声明变量的同时给变量赋值。
• 在int height, length, width = 10这个例子中，只有变量width拥有初始化器10，而前面两个变量没有（两个变量没有初始化）。

2.4.6 显示表达式的值

• 比如，printf("%d\n", height * length * width);

printf显示表达式的值的能力说明了C语言的一个通用原则：在任何需要数值的地方，都可以使用具有相同类型的表达式。

2.5 读入输入

scanf和printf中的字母f都表示“格式化”的意思。两个函数都需要使用格式串（format string）来指定输入数据或输出数据的形式。

scanf函数需要知道将获得的输入数据的格式，而printf函数需要知道输出数据的显示格式。

• 为了读入一个int型值，可以使用下面的scanf函数调用：

scanf("%d", &i);
/*
字符串“%d”说明scanf读入的是一个整数，而i是一个int型变量，用来存储scanf读入的输入。读入一个float型值时，需要一个形式略有不同的scanf调用。
*/
scanf("%f", &x);

• 提示用户输入的消息（提示符）通常不应该以换行结束，因为我们希望用户在同一行输入。这样，当用户敲回车键时，光标会自动移动到下一行。因此就不需要程序通过显示换行符来终止当前行了。

2.6 定义常量的名字

• 当程序含有常量时，建议给这些常量命名。
• 可以采用宏定义的特性给常量命名：#define INCHES_PER_POUND 166，这里的#define预处理指令，此行的结尾也没有分号。
• 编译时，预处理器会把每一个宏替换为其表示的值。
• 此外，可以使用宏来定义表达式：define RECIPROCAL_OF_PI (1.0f / 3.14159f)，当宏包括运算符时，建议使用括号把表达式括起来。

注意，宏的名字只用了大写字母。这是大多数C程序员遵循的规范，并不是C语言本身的要求。

2.7 标识符

在编写程序时，需要对变量、函数、宏和其他实体进行命名。这些名字称为标识符。

• 在C语言中，标识符可以含有字母、数字和下划线，但是必须以字母或者下划线开头。比如,times10 get_next_char _done这三个是合法的，而10times get-next-char这两个是不合法的。
• C语言是区分大小写的，所以许多程序员会遵循在标识符中只使用小写字母的规范（宏命名除外）。为了使名字清晰，必要是还会插入下划线。而另外一些程序员则避免使用下划线，他们的方法是把标识符中的每个单词用大写字母开头：symbolTable currentPage nameAndAddress。
• C对标识符的最大长度没有限制，因此不要担心使用较长的描述性名字。

关键字，对C编译器而言都有着特殊的意义，因此关键字不能作为标识符来使用。

2.8 C程序的书写规范

• 语句可以分开放在任意多行内。
• 记号间的空格使我们更容易区分记号。基于这个原因，我们通常会在每个运算符的前后都放上一个空格：volume = height * length * width;。
• 此外，还会在每个逗号后边放一个空格。某些程序员甚至在圆括号和其他标点符号的两边都加上空格。
• 缩进有助于轻松识别程序嵌套。例如，为了清晰的表示出声明和语句都嵌套在main函数中，应该对他们进行缩进。
• 空行可以把程序划分成逻辑单元，从而使读者更容易辨别程序的结构。没有空行的程序很难阅读，就像不分章节的书一样。
• 把字符串从一行延续到下一行需要一种特殊的方法才可以实现，后面的章节将会讲到。

问与答

问1：GCC是什么的简称？

答：GCC最初是GNU C Compiler的简称，现在指GNU Compiler Collection，这是因为最新版本的GCC能够编译用Ada、C、C++、Fortran、Java 和Objective-C等多种语言编写的程序。

问2：明白了，但GNU又是什么意思呢？

答：GNU指的是“GNU’s Not UNIX!”（发音为guh-NEW），它是自由软件基金会（Free Software Foundation）的一个项目。自由软件基金会是由Richard M. Stallman发起的一个组织，旨在抗议对UNIX 软件授权的各种限制。从它的网站可以看出，自由软件基金会认为用户应该可以自由地“运行、复制、发布、研究、改变和改进”软件。GNU 项目从头开始重写了许多传统的UNIX 软件，并使公众能够免费地获得。
GCC 和其他GNU软件对于Linux操作系统来说是至关重要的。Linux本身只是操作系统的“内核”
（处理程序调度和基本输入/输出服务的部分），为了获得具备完整功能的操作系统，GNU 软件是必要的。

问3：GCC发现程序中错误的能力如何？

答：GCC有多个命令行选项来控制程序检查的彻底程度。使用这些选项可以帮助我们有效地找出程序中潜在的故障区域。下面是一些比较常用的选项。

• –Wall :使编译器在检测到可能的错误时生成警告消息。（–W后面可以加上具体的警告代码，-Wall表示“所有的–W选项”。）为了获得最好的效果，该选项应与–O选项结合使用。

• –W :除了–Wall生成的警告消息外，还需要针对具体情况的额外警告消息。

• –pedantic :根据C标准的要求生成警告消息。这样可以避免在程序中使用非标准特性。

• –ansi :禁用GCC的非标准C特性，并启用一些不太常用的标准特性。

• –std=c89或–std=c99指明使用哪个版本的C编译器来检查程序。这些选项常常可以结合使用：

  % gcc –O –Wall –W –pedantic –std=c99 –o pun pun.c

问4：为什么C语言如此简明扼要？如果在C语言中用begin和end代替{和}，用integer代替int，等等，程序似乎更加易读。

答：据说，C程序的简洁性是由开发该语言时贝尔实验室的环境造成的。第一个C语言编译器是运行在DEC PDP-11计算机（一种早期的小型计算机）上的，而程序员用电传打字机（实际上是一种与计算机相连的打字机）输入程序和打印列表。因为电传打字机的速度非常慢（每秒钟只能打出10 个字符），所以在程序中尽量减少字符数量显然是十分有利的。

问5：在某些C语言书中，main函数的结尾使用的是exit(0)而不是return 0，二者是否一样呢？

答：当出现在main函数中时，这两种语句是完全等价的：二者都终止程序执行，并且向操作系统返回0值。使用哪种语句完全依据个人喜好而定。

问6：如果main函数末尾没有return语句会产生什么后果？

答：return语句不是必需的；如果没有return语句，程序一样会终止。在C89中，返回给操作系统的值是未定义的。在C99中，如果main函数声明中的返回类型是int（如我们的例子所示），程序会向操作系统返回0；否则程序会返回一个不确定的值。

问7：编译器是完全移除注释还是用空格替换注释呢？

答：一些早期的编译器会删除每条注释中的所有字符，使得语句

a/**/b = 0;

可能被编译器理解成

ab = 0;

然而，依据C标准，编译器必须用一个空格字符替换每条注释语句，因此上面提到的技巧并不可行。我们实际上会得到下面的语句：
a b = 0;

问8：如何发现程序中未终止的注释？

答：如果运气好的话，程序将无法通过编译，因为这样的注释会导致程序非法。如果程序可以通过编译，也有几种方法可以用。通过用调试器逐行地执行程序，就会发现是否有些行被跳过了。某些集成开发环境会使用特别的颜色把注释和其他代码区分开来。如果你使用的是这样的开发环境，就很容易发现未终止的注释，因为误把程序文本包含到注释中会导致颜色不同。此外，诸如lint（ 1.2 节）之类的程序也可以提供帮助。

问9：在一个注释中嵌套另一个注释是否合法？

答：传统风格的注释（/*…*/）不允许嵌套。例如，下面的代码就是不合法的：

/* /*** WRONG ***/ 
*/

• 第2行的符号*/会和第1行的/*相匹配，所以编译器会把第3行的*/标记为一个错误。

• C语言禁止注释嵌套有些时候也是个问题。假设我们编写了一个很长的程序，其中包含了许多短小的注释。为了临时屏蔽程序的某些部分（比如在测试过程中），我们首先会想到用/*和*/“注释掉”相应的程序行。但是，如果这些代码行中包含有传统风格的注释，这种方法就行不通了。不过，C99注释（以//开始的注释）可以嵌套在传统风格的注释中，这是这类注释的另一个优势。

  后面我们将看到，可以用一种更好的方法来屏蔽部分程序（ 14.4 节）。

问10：float 类型的名字由何而来？

答：float是floating-point的缩写形式，它是一种存储数的方法，而这些数中的小数点是“浮动的”。float类型的值通常分成两部分存储：小数部分（或者称为尾数部分）和指数部分。例如，12.0这个数可以以1.5×2^3的形式存储，其中1.5是小数部分，而3是指数部分。有些编程语言把这种类型称为real类型而不是float类型。

问11：为什么浮点常量需要以字母f结尾？

答：完整的解释见第7章。这里只简单回答一下：包含小数点但不以f结尾的常量是double（double precision的缩写）型的。double型的值比float型的值存储得更精确，并且可以比float型的值大，因此在给float型变量赋值时需要加上字母f。如果不加f，编译器可能会生成一条警告消息，告诉你存储到float型变量中的数可能超出了该变量的取值范围。

问12：对标识符的长度真的没有限制吗？

答：是，又不是。C89标准声称标识符可以是任意长，但只要求编译器记住前31个字符（ C99中是63个字符）。因此，如果两个名字的前31个字符都相同，编译器可能会无法区分它们。

更复杂的情况是，C标准对于具有外部链接（18.2节）的标识符有特殊的规定，而大多数函数名属于这类标识符。因为链接器必须能识别这些名字，而一些早期的链接器又只能处理短名字，所以在C89中标识符只有前6个字符才是有效的。此外，C89还不区分字母的大小写。因此ABCDEFG和abcdefg可能会被作为相同的名字处理。（C99中，前31个字符有效，且字母区分大小写。）

大多数编译器和链接器比标准所要求的更宽松，因此实际使用中这些规则都不是问题。不要担心标识符太长，还是注意不要把它们定义得太短吧。

问13：缩进时应该使用多少空格？

答：这是个难以回答的问题。如果预留的空间过少，会不易察觉到缩进；如果预留的空间太多，则可能会导致行宽超出屏幕（或页面）的宽度。许多C程序员采用8个空格（即一个制表键）来缩进嵌套语句，这可能太多了。研究表明，缩进3个空格是最合适的，但许多程序员不太习惯于非2的幂次。我习惯于缩进3或4个空格，但是考虑到页面的需要，本书采用了2 个空格的缩进方式。

总结

本文章为之前两次笔记的补充，欢迎各位大佬阅读学习，有不对的地方还请指正，不胜感激。后续章节笔记会持续更新，敬请期待！（书名：《C语言程序设计：现代方法（第2版·修订版）》）